重慶理工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院 張 蓮 劉增里 李云昊

中國兵器工業(yè)第203研究所 陳 玲

基于藍牙技術(shù)的室內(nèi)二階段定位算法研究

重慶理工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院 張 蓮 劉增里 李云昊

中國兵器工業(yè)第203研究所 陳 玲

針對室內(nèi)定位需求的日益增加，提出了一種基于藍牙技術(shù)的室內(nèi)二階段定位算法。該算法需要在待定位的室內(nèi)空間均勻部署一定數(shù)量的藍牙節(jié)點，節(jié)點周期性地向外界廣播自己特有的UUID以及RSSI值等信息，通過藍牙終端接收這些信息。在算法上分成兩個階段，第一階段通過極大似然法對未知點坐標進行粗略估計，縮小定位范圍，第二階段采用加權(quán)三角質(zhì)心定位算法對未知點坐標進行精確定位，進一步提高了定位精度。實驗結(jié)果表明，在實驗室環(huán)境下算法的定位精度可達1．2m，對比一般的加權(quán)三角質(zhì)心算法在定位的精度和穩(wěn)定性上都有了較好的提升，平均誤差減少了20%左右。

藍牙技術(shù)；二階段定位；RSSI；極大似然法；加權(quán)三角質(zhì)心算法

0 引言

近年來隨著移動互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，基于位置服務(wù)在各行業(yè)中展現(xiàn)出了廣闊的應(yīng)用前景，GPS在室外定位中得到了廣泛應(yīng)用，但是在室內(nèi)由于環(huán)境復(fù)雜GPS信號衰減嚴重，無法實現(xiàn)較為精確的室內(nèi)定位，而在實際生活中人們80%的活動時間和空間是在室內(nèi)，人們對于室內(nèi)定位技術(shù)的需求也是不斷增加[1]。目前應(yīng)用于室內(nèi)定位的技術(shù)主要有低功耗藍牙、WIFI、超聲波、Zigbee等[2]，2013年9月蘋果公司發(fā)布了基于藍牙4.0的ibeacon技術(shù)，該技術(shù)憑借著其低功耗、低成本、容易實現(xiàn)等特點，成為了目前室內(nèi)定位研究的熱點[3]。文獻[4]提出了基于ibeacon的加權(quán)三環(huán)定位算法，定位精度一般；文獻[5]提出了ibeacon的改進型環(huán)形定位算法，在定位精度上有了提高，但是前期未對數(shù)據(jù)進行處理，定位誤差偏大；文獻[1]提出了基于ibeacon的三角質(zhì)心定位方法，并且在前期對數(shù)據(jù)加入了階段去嗓與平滑濾波，定位精度和誤差都得到了一定的改善。由此，本文提出了一種基于藍牙技術(shù)的二階段定位算法：采用極大似然估計與加權(quán)三角質(zhì)心相結(jié)合的方法，并且在前期加入去噪和平滑濾波，進一步提高了定位精度和穩(wěn)定性，減少了定位誤差。

1 RSSI測距原理

本文采用了基于接收信號強度RSSI值的測距方法[6]，通過藍牙終端接收到藍牙節(jié)點發(fā)送的RSSI值，再根據(jù)無線信號在室內(nèi)空間中的傳播模型，最終計算出藍牙終端到藍牙節(jié)點的距離。無線信號的傳輸模型選擇常用的Shadowing模型即對數(shù)距離衰減模型，可以分為路徑衰減和噪聲干擾兩部分，用公式可以表示為：

其中參數(shù)A和n由環(huán)境決定，當環(huán)境一定時，可以通過大量實驗數(shù)據(jù)擬合得到A和n的值，由此得到無線信號在當前環(huán)境的傳輸模型，這樣就可以通過藍牙終端接收到的RSSI反過來求取終端到藍牙節(jié)點的距離。

2 第一階段極大似然粗略估計

得到3組距離與坐標的對應(yīng)關(guān)系式，現(xiàn)在將3組對應(yīng)關(guān)系式轉(zhuǎn)化為極大似然方程組[6]：

根據(jù)最小均方差理論和廣義逆矩陣理論，可以得到上述3個方程組的解分別為：

3 第二階段加權(quán)三角質(zhì)心精確定位

前面由極大似然估計已經(jīng)得到了三個點Z1，Z2，Z3，現(xiàn)在對這三個點再采用加權(quán)質(zhì)心算法[8]，就能夠?qū)ξ粗cO進行精確定位，因為Z1，Z2，Z3三個點的坐標和前面的距離集合P1，P2，P3有對應(yīng)關(guān)系，本文分別將距離集合P1，P2，P3中所有元素和的倒數(shù)作為加權(quán)因子ω1，ω2，ω3，反映出Z1，Z2，Z3三個點對質(zhì)心坐標的不同影響力，進一步提高定位精度，減小誤差。加權(quán)因子用公式表示為：

則未知點O(x , y)通過加權(quán)三角質(zhì)心算法后的坐標可以表示為：

4 實驗與結(jié)果分析

4.1 實驗設(shè)計與布置

圖1 實驗平面布置圖

本次室內(nèi)定位實驗在8.46m×5.68m的實驗室環(huán)境下進行，實驗室里有桌子、椅子以及其他實驗用品。本次實驗共布置了8個藍牙節(jié)點，節(jié)點按照均勻?qū)ΨQ方式安裝，同一水平方向上的相鄰節(jié)點間相隔2m，節(jié)點安裝在離地面1.2m的平面上，藍牙節(jié)點安裝布置圖如圖1，按照圖中所給坐標系建立實際的平面坐標，8個藍牙節(jié)點的平面坐標如表1所示。

表1 藍牙節(jié)點坐標表

4.2 確定傳輸模型

圖2 藍牙節(jié)點測試圖

在安裝藍牙節(jié)點前先對其進行配置，包括名稱、發(fā)射功率、發(fā)射周期等信息，配置完成后打開藍牙終端對藍牙節(jié)點進行測試，本次測試采用的是帶有藍牙4.0的Android手機，如圖2所示為接收到的8個藍牙節(jié)點廣播的信息。為了更加準確地求取信號傳輸模型，如圖1所示，先在Y軸所在的墻面距離地面1.2m處的A和B兩點分別安裝一個藍牙節(jié)點，然后分別在y=4，y=1和實驗室的對角線三個方向上每間隔0.5m取點采樣，每個方向上選取16個點作為樣本點，每個點采樣20個數(shù)據(jù)作為樣本值。

采樣完成后，將8個藍牙節(jié)點按圖1安裝好。將采樣數(shù)據(jù)按y=4、y=1和對角線分為3組，分別進行濾波平滑處理后計算每個樣本點的平均值，將平均值作為該點樣本值的最終值，由此得到3個組所有樣本點的平均值如圖3所示：

圖3 采樣點平均值統(tǒng)計圖

用matalab的擬合工具箱cftool先將這三組數(shù)據(jù)進行smooth處理，再按著信號傳輸?shù)腟hadowing簡化模型公式進行自定義曲線擬合，通過擬合得到了三個傳輸模型：

于是得到3組A和n的值如下：

4.3 定位實驗與結(jié)果分析

在實驗室隨機取30個坐標已知的點進行實驗，分別在這30個點用手機終端接收8個藍牙節(jié)點廣播的RSSI值，將RSSI值通過本文的算法求解，得出對該點坐標的估計值，再選擇RSSI值由大到小且其坐標不在同一直線上的三個藍牙節(jié)點，用一般的加權(quán)三角質(zhì)心定位算法分別對30個點進行估計，定位結(jié)果對比如圖4，誤差對比如圖5，可以看出本文算法對比一般的加權(quán)三角質(zhì)心算法，定位精度有了提高，平均誤差減少了20%左右。

圖4 定位結(jié)果對比圖

圖5 定位誤差對比圖

5 結(jié)束語

本文提出了一種基于藍牙技術(shù)的室內(nèi)二階段定位算法，考慮到無線信號在室內(nèi)傳播過程中容易受到衰減、反射、多路徑傳播等因數(shù)的影響，本文先對采樣數(shù)據(jù)進行去噪平滑處理，保證了計算信號實際傳輸模型的可靠性，在定位階段先采用極大似然估計對未知點進行粗略估計，縮小定位范圍，再通過加權(quán)三角質(zhì)心定位算法進行精確，本算法在計算過程增加不多的情況下提高了定位精度，體現(xiàn)出了它的優(yōu)越性。通過實驗表明，本算法的定位精度提高到了1.2m，且平均誤差減少到了0.55m，能夠滿足大多數(shù)的室內(nèi)定位需求。

[1]馬旭攀,惠飛,景首才,等．一種基于藍牙信標的室內(nèi)定位系統(tǒng)[J]．測控技術(shù),2016,04:55-58+66．

[2]馮星明,倪冰．主流室內(nèi)定位技術(shù)應(yīng)用研究[J]．現(xiàn)代建筑電氣,2017,02:21-25．

[3]張倬勝,馬方方,薛靜遠,等．基于iBeacon的精細室內(nèi)定位方法研究[J]．地理信息世界,2015,02:26-30．

[4]石志京,徐鐵峰,劉太君,等．基于iBeacon基站的室內(nèi)定位技術(shù)研究[J]．移動通信,2015,07:88-91．

[5]劉明偉,劉太君,葉焱,等．基于低功耗藍牙技術(shù)的室內(nèi)定位應(yīng)用研究[J]．無線通信技術(shù),2015,03:19-23．

[6]韓江洪,祝滿拳,馬學(xué)森,等．基于RSSI的極大似然與加權(quán)質(zhì)心混合定位算法[J]．電子測量與儀器學(xué)報,2013,10:937-943．

[7]陸楊潔,劉志勤,楊雷,等．基于接收功率電平的三角質(zhì)心近距離定位算法[J]．傳感器與微系統(tǒng),2016,03:137-139+143．

[8]楊博雄,倪玉華,劉琨,等．基于加權(quán)三角質(zhì)心RSSI算法的ZigBee室內(nèi)無線定位技術(shù)研究[J]．傳感器世界,2012,11:31-35．

張蓮（1967—），女，重慶人，教授、碩士生導(dǎo)師，主要從事遠程測試與控制技術(shù)、信號處理等方面的科研和教學(xué)工作。